автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.10, диссертация на тему:Разработка составов, технологии получения и применения утяжеленных цементов для крепления глубоких скважин в Казахстане

г Г Г) од

На правах рукописи

МОСКАЛЕНКО БОРИС НИКОЛАЕВИЧ

Разработка составов, технологии получения и применения утяжеленных цементов для крепления глубоких скважин в Казахстане

Специальность 05.15.10 - " Бурение скванин"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа 1996

- г -

Работа выполнена в КазНИГРИ.

Научный руководитель :член-корр.АН РБ, д.т.н.,проф. Мавлютов М.

Научный консультант : к.т.н., Измухамбетов Б.С.

Официальные оппоненты:член-корр. АН РТ, д.т.н., проф.Юсупов И.Г.

к.т.н., доцент Матюшин П.Н.

Ведущее предприятие АО НИПИ "Газжоболау" г.Уральск

Защита состоится " " 1997 г. в часов

на заседании диссертационного Совета Д.063.09.02 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу: 450062, Уфа-62, ул.Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Автореферат разослан ■■ 1996 г_

Ученый секретарь диссертационного Совета, доктор физико-математических наук, профессор

Р.Н.Бахтизин

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ

Для решения проблемы обеспечения народного хозяйства Республики Казахстан углеводородным сырьем необходимо увеличение объема бурения скважин на подсолевые отложения в перспективной Казахстанской части Прикаспийской впадины, которая характеризуется наличием аномально высоких пластовых давлений и температур. При этом необходимо обеспечение повышенного качества и уменьшения сроков строительства скважин при значительном снижении трудовых и материальных затрат и оздоровлении экологической обстановки. Особую роль при этом играют тампонажные материалы со специальными свойствами, обеспечивающие надежную изоляцию заколон-ного пространства скважин. Применяемые в настоящее время утяне-ленные тампонажные цементы, получаемые за счет добавки к портландцементу или шлаковому вяжущему барита, не во всех случаях отвечают требованиям качественного крепления скважин : они уса-дочны, проницаемы, седиментационно неустойчивы, не во всех случаях достигается требуемая плотность раствора из-за увеличенной водопотребности.

В Казахстане с участием автора разработана технология получения тампонажных смесей с применением промышленных отходов, построен цех сухих тампонажных материалов. В то же время из-за несовершенства технологической линии выпускаемые утяжеленные тампонажные цементы не всегда удовлетворяют требованиям АВПД, высоких температур и других геологических особенностей в новых перспективных в нефтегазоносном отношении регионах. Естественно, требуют решения и вопросы совершенствования технологии процесса цементирования скважин с использованием вновь разработанных нами материалов.

Необходимость разработки составов,технологии получения и применения утяжеленных тампонажных цементов с регулируемыми технологическими свойствами для крепления скважин и разобщения продуктивных горизонтов на нефтегазовых месторождениях является весьма актуальной задачей и имеет большое значение для ускоренного экономического развития Республики Казахстан.

Цель работы

Разработка составов, технологий получения и применения утяжеленных тампонажных материалов со специальными свойствами, обеспечивающих качественное строительство скважин в условиях высоких пластовых давлений и температур в Казахстанской части Прикаспийской впадины.

Задачи работы

1. Изучение геологических особенностей и геолого-физических факторов, определяющих формирование цементного кольца в заколон-ном пространстве, и обоснование требований к технологии, составу и свойствам тампонажных цементов для условий аномально высоких давлений и температур при наличии агрессивных агентов.

2. Изучение возможности использования отходов горно-рудной, химической промышленностей, черной и цветной металлургии Республики Казахстан для получения утяжеленных и тяжелых цементных растворов.

3. Разработка составов утяжеленных тампонажных цементов на основе местных материалов и промышленных отходов.

4. Разработка технологий получения и применения утяжеленных тампонажных цементов с использованием дезинтеграторной активации.

5. Апробация результатов исследований, разработка нормативных документов, промышленное использование разработанных рекомендаций.

Научная новизна

1. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность получения эффективных тампонажных утяжеленных (до 2600 кг/м3) цементов с регулируемыми физико-механическими характеристиками из промышленных отходов предприятий Казахстана.

2. Установлена качественная взаимосвязь между физико-хими-

ческими свойствами, минералогическим составом отходов горно-рудной, химической промышленности и шлаков черной и цветной металлургии Казахстана и изменением технологических свойств тампонаж-ных утяжеленных цементов на их основе при их обработке в дезинтеграторе.

3. Установлена возможность значительного расширения температурного интервала (до 250 °С) применения тампонажных утяжеленных цементов на основе малоактивных промышленных отходов путем их механоактивации.

4. Установлена качественная взаимосвязь между составом, свойствами добавок-модификаторов тампонажного утяжеленного цемента, режимом дезинтеграторной активации и технологическими свойствами конечных продуктов.

Практическая ценность

1. Разработаны требования к технологическим свойствам тампонажных утяжеленных цементов, показаны возможности использования в составе утяжеленных цементов широкого круга отходов горнорудной, металлургической промышленностей.

2. Разработан ряд тампонажных утяжеленных цементов, в том числе и бесклинкерных, с легко регулируемыми свойствами, получаемых из промышленных отходов, обеспечивающих качественное крепление скважин и разобщение продуктивных горизонтов в условиях аномальных пластовых давлений и температур.

3. Обоснованы рациональные режимы дезинтеграторной обработки тампонажных утяжеленных цементов для регулирования их технологических свойств, обеспечивающих в комплексе надежную герметичность заколонного пространства скважин.

4. Усовершенствована дезинтеграторная технологическая линия для получения тампонажных утяжеленных цементов на основе местных промышленных отходов.

- 6 -

Реализация работы в промышленности

Разработанные тампонажные утяжеленные цементы, технология их получения и применения использованы в промышленном масштабе при строительстве глубоких нефтяных и газовых скважин в условиях аномально высоких пластовых давлений и температур ГХК "Тулпар", ГХК "Акбота", ГХК "Поиск". По усовершенствованной дезинтегратор-ной технологии изготовлено всего 12680 т утяжеленных цементов на основе промышленных отходов, в т.ч. 5370 т с расширяющимися свойствами, 1665 т бесклинкерного утяжеленного вяжущего, 5645 т утяжеленных цементов с добавкой хромитовой, целестиновой и никелевой руд.

Указанными утяжеленными цементами, изготовленными по разработанной автором технологии, зацементировано 20 эксплуатационных и 40 технических колонн на месторождениях Тенгиз, Елемес, Кенки-як, на разведочных площадях Чинаревская, Диркульская и др.

Использование разработок автора позволило решить проблему крепления скважин и разобщения продуктивных горизонтов в условиях аномально высоких пластовых давлений и температур , сэкономив дорогостоящий портландцемент до 40% за счет замены его дешевыми отходами, повысить надежность изоляционного комплекса скважин в Республике Казахстан.

Защищаемые положения

1. Обоснование возможности и целесообразности использования отходов горно-рудной, химической промышленности и шлаков черной и цветной металлургии Казахстана для получения тампонажных утяжеленных цементов.

2. Составы и технологии получения и применения тампонажных утяжеленных цементов на основе промышленных отходов Казахстана.

3. Закономерности, взаимосвязи между составом и свойствами добавок- модификаторов тампонажных утяжеленных цементов, режимом дезйнтеграторной обработки и физико-механическими характеристиками готового продукта.

Апробация работы

Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Республиканской научно-теоретической конференции по проблемам бурения скважин на Мангышлаке (г.Шевченко, 1979), Всесоюзном совещании по повышению эффективности разведочного бурения (Алма-Ата, 1981), Всесоюзном совещании по гидратации и структурообразованию цементов, полученных на основе отходов промышленности (1983,Чимкент), Всесоюзной конференции- дискуссии по формированию и работе тампонажного камня в скважине (1984г., Дивногорск), Всесоюзном (V) семинаре по УДА технологии (1987 г., Киев), Международном симпозиуме по механоэмиссии и механоактива-ции твердых тел (1995 г., Ташкент),Научно-тематической конференции аспирантов и молодых ученых УГНТУ,( Уфа, 1995г.), Всероссийской конференции "Проблемы нефти и газа России" (г.Уфа, 1995 г.), Всероссийской конференции "Проблемы нефти и газа России" (г. Москва, 1996г.), научнопрактической конференции, посвященной 65-летию геологической службы Казахстана (Алматы, 1994),Международной научно-технической конференции "Современные проблемы строительного материаловедения"(Казань,1996г.), Международной конференции "Проблемы подготовки кадров для строительства и восстановления скважин"(Тюмень,1996г.), Первом республиканском съезде по теоретической и прикладной механике (Алматы,1996г.), научно-технических советах Министерства геологии и охраны недр Республики Казахстан (Алматы, 1992, 1993, 1994, 1995), научно-технических советах ГХК "Тулпар", "Акбота", "Поиск" (Актюбинск, Атырау, Уральск, 1993, 1994, 1995).

ПУБЛИКАЦИИ

Результаты исследований, отражающие положения диссертационной работы, опубликованы в 13 научных трудах, в т.ч. 2 изобретениях.

ОБЪЕМ РАБОТЫ

Диссертационная работа состоит из введения, 5 разделов, выводов и рекомендаций. Работа изложена на 231 странице машинописного текста, содержит 31 таблицу, 38 рисунков, включает список литературы из 108 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность решаемых в диссертации задач, целесообразность использования отходов горно-рудной, химической промышленностей, шлаков черной и цветной металлургии Казахстана с целью получения тампонажных утяжеленных цементов со специальными и легко регулируемыми свойствами и разработки технологии их получения и применения для качественного строительства скважин. Дана общая характеристика работы.

В первой главе приведен критический анализ факторов, влияющих на качество крепления и разобщения продуктивных горизонтов в скважинах с аномально высокими пластовыми давлениями и температурами применяемыми в этих условиях утяжеленными цементами и существующими технологиями их получения и применения. Вопросам разработки специальных утяжеленных тампонажных цементов посвящены исследования А. И. Булатова, В.С.Данюшевского, М.Р.Мавлютова, Ф.А.Агзамова, Н.Х.Каримова, Ш.М.Рахимбаева, В.М.Кравцова. А.А.Клюсова, Ю.С.Кузнецова, В.П.Овчинникова, В.С.Бакшутова, Д. Ф.Новохатского. У. Д.Мамаджанова. А.У.Шарипова, С.М.Баша, Т.В.Кузнецовой, Э.А.Липсона, Л.С.Запорожец и других. В них приведены результаты исследований составов, технология получения утяжеленных цементов на основе портландцемента и барита, а также некоторых промышленных отходов. Эти исследования внесли существенный вклад в повышение качества крепления скважин и разобщения продуктивных горизонтов в сложных геологических условиях и развитие буровой науки в целом.

Для аномально высоких пластовых давлений и температур (Ка=1,8...2,5; Т=250 °С) при цементировании скважин необходимо применять специальные утяжеленные цементы, растворы из которых седиментационно устойчивы, имеют низкую водоотдачу, улучшенные реологические свойства. Цементы должны формировать безусадочный или расширяющийся, коррозионно- и температуростойкий камень с плотной структурой и повышенной прочностью. Исследования, проведенные в КазНИГРИ и АО КазНИГРИ, показали, что в определенной степени указанным требованиям цементирования скважин в сложных геологических условиях в Казахстане удовлетворяют тампонажные материалы, изготовленные по дезинтеграторной технологии с использованием промышленных отходов. Однако, как показали результаты бурения, для новых перспективных регионов с более сложными геологическими условиями указанные тампонажные материалы не всегда обеспечивают качественное крепление скважин и разобщение продуктивных горизонтов.

На основе анализа литературных и промысловых данных по технологии получения и применения утяжеленных цементов, а также исходя из особенностей геологических условий, определены требования и проведена сравнительная оценка применяемых утяжеленных цементов. Это позволило обосновать теоретические аспекты разработки новых составов, обосновать технологию получения утяжеленных цементов с использованием дезинтегратора, позволяющего обеспечить регулирование свойств полученных материалов в широких пределах. Сформулированы цель и задачи работы.

Во второй главе описаны методы и средства исследований.

Физические свойства, химический и минералогический состав использованных материалов определялись общепринятыми методиками исследований. Рентгеноструктурный анализ образцов промышленных отходов, утяжеленных цементов, продуктов гидратации цемента производился на установке "Дрон-УМ1", дифференциально- термический

анализ - на дериватографе ДО-ЮЗ (ВНР). Удельная поверхность порошков тампонажных материалов и их компонентов оценивалась на приборе ПСХ-4.

Основные технологические свойства исследуемых и разрабатываемых утяжеленных цементов изучались по стандартным методикам согласно ГОСТ. Характеристики не нормируемых ГОСТом параметров, в частности, расширение и водоотдача в условиях высоких температур и давлений, определялись на специально разработанных в АО КазНИГРИ приборах.

Исследуемые материалы обрабатывались в лабораторном дезинтеграторе типа Д-72 и Д-32.

В третьей главе приведены результаты исследований промышленных отходов и местных материалов в качестве сырьевых компонентов и добавок для производства утяжеленных и тяжелых цементов., Совместно с сотрудниками АО КазНИГРИ были изучены шлаки черной и цветной металлургии, отходы химической и горнорудной промышленности, а также отдельные тяжелые руды Республики Казахстан. Анализ химико- минералогического состава, а также физико-механических свойств указанных шлаков и отходов показал, что в качестве компонентов и утяжеляющих добавок в составе спеццементов могут быть использованы: шлаки производства ферросплавов алюмотермическим способом - ферротитановый шлак (ФТШ); шлаки рафинированного феррохрома - высококальциевый саморассыпающийся (СРШ); отработанный синтетический шлак (ОСИ!) сталеплавильного производства; шлаки цветной металлургии - никелевые, медные; свинцовые, железные , хромитовые, никелевые, целестиновые, медные, медно-молибденовые руды. Хроматный шлам может быть использован как расширяющая добавка к утяжеленным цементам.

Основываясь на результатах исследований, проведенных Ново-хатским Д.Ф., Рахимбаевым Ш.М..Каримовым Н.X., Запорожец Л. С., была изучена активность шлаков для использования их в качестве

вяжущей основы для утяжеленных цементов. При этом исследовался фазовый состав продуктов твердения ФТШ, СРШ.ОСШ, никелевого и свинцового шлаков в нормальных и автоклавных условиях в присутствии щелочного активатора и без него. При температурах 50...160 °С и давлении 50 МПа по данным РСА при твердении ФТШ образуются гиббсит, кубический гидроалюминат и гидрогранат, рефлексы которых четко обнаруживаются в продуктах гидратации. Необходимо отметить, что в присутствии щелочного активатора степень гидратации при 50 0С повышается и находится на уровне 23...32%.

Исследование продуктов твердения СРШ методом РСА показало, что при температуре ниже 75 0 С гидравлическая активность шлака низкая. В автоклавных образцах, начиная с 75 °С, обнаруживается СБН(В), который в образцах, твердевших при температурах выше 130 °С, переходит в тоберморит. Периклаз, содержащийся в СРШ в количестве 9 ... 11% , в автоклавных условиях образует брусит -^(0Н)2. Также в продуктах твердения СРШ обнаруживается гидрогранат, близкий к СзАБо, 43*Н5_ 14

Таким образом, было показано, что ФТШ и СРШ при высоких температурах могут быть использованы как вяжущая основа утяжеленных цементов.

Продуктами гидратации ОСШ в нормальных условиях являются высоко- и низкоактивные гидроалюминаты кальция С4АН13, САН10, низкокремнеземистый гидрогранат С3А80-д * Н4>3 , гиббсит, АЬ203 * ЗН20 и гидрогеленит С3АЗН8. Камень из ОСШ, твердевший в нормальных условиях, имеет в 2-х суточном возрасте прочность на изгиб 5,2...6,1 МПа. ОСШ обладает хорошо выраженными вяжущими свойствами алюминатного типа твердения и может быть вяжущей основой утяжеленных цементов с расширяющими свойствами в широком интервале температур при введении в его состав соответствующих утяжеляющих добавок.

Свинцовые шлаки начинают проявлять гидравлическую активность при температурах выше 120 °С. При добавке щелочных активаторов они могут проявлять вяжущие свойства и при температуре 50 °С. Добавка кремнезема также улучшает гидравлическую активность шлака.

Никелевые шлаки начинают проявлять вяжущие свойства при температуре 100 °С и более, а при механохимической дезинтегра-торной активации - начиная с 70 0 С. В образцах, твердевших при температуре 120 °С, обнаружены железистые гидрогранаты, одноосновные гидросиликаты кальция и Mg(0H)2.

На основе вышеизложенного разработаны составы бесклинкерных утяжеленных тампонажных вяжущих, свойства которых приведены в таблице.

Из таблицы видно, что рассмотренные шлаки позволяют получить утяжеленные цементы для условий АВПД и широкого температурного интервала (22... 250 °С) при достаточно высоких показателях прочности при изгибе: 1,8... 2,5 МПа при температуре 22 °С и 6,8... 8,5 МПа при температуре 250 °С. Составы, содержащие ФТШ, СРШ и жидкое стекло, близки к высокоглиноземистому цементу и, так же как последний, характеризуются большой стойкостью в сульфатных, магнезиальных и сероводородных средах. Низкое содержание оксида кальция и кремнезема в составе вяжущего пополняется за счет добавления шлака рафинированного феррохрома, который содержит СаО - 50...52%, S102 - 25... 28%.

Высокое содержание глинозема в ФТШ , оксида кальция и кремнезема в СРШ обеспечивает получение утяжеленного бесклинкерного вяжущего алюминатно-силикатного типа твердения с плотным, непроницаемым и прочным камнем. Это вяжущее рекомендовано для использования в скважинах с АВПД и в температурном интервале (20... ...200 °С).

С целью повышения термостойкости камня до 350 °С в состав

Таблица

Технологические свойства бесклинкерных утяжеленных тампонажных цементов, твердевших в течение 2-х суток

Состав, % В/Ц Плотность, кг/см3 Рас-текае-мость, мм Прочность на изгиб/сжатие, МПа при температуре, °С / давлении,МПа

ФТШ СРШ СШ НШ ЖС ХМР 22 0,1 75 50 100 50 130 50 160 50 200 50 ¡250 и 50

45,5 45,5 - - 9,0 - 0,3 2100 190 2^5 3,2 ¿9 7,7 6£ 12,5 10 50 ТА 18,6 -

- - 91 - 9,0 - 0,27 2300 . 205 и 34 - 11 4,7 М 5,6 М 9,6 14,3 ТА 18,6

45 23 - - 9.0 23 0,32 2160 190 - 41 13,4 М 17,6 6,77 24,6 19. 30,3 38,3

- - - 91 9,0 - 0,30 2350 200 - 2£ 5,6 - ы 12,6 6,0 18,1 - £8 20

ФТШ СРШ сш

- ферротитановый шлак,

- саморассыпающийся шлак,

- свинцовый шлак,

НШ - никелевый шлак,

ХМР - «хвосты» обогащения медно-молибденовых руд, ЖС - жидкое стекло

бесклинкерных цементов на основе ФТШ и СРШ вводились "хвосты" обогащения медно-молибденовых руд Балхашского медеплавильного комбината, которые представляют собой мелкозернистый порошок, состоящий на 85...90% из S102. По данным РСА и термографического анализа при твердении указанных цементов образуется волокнистый тоберморит Ca5*(Si6*018*H2)*4H20 и высококремнеземистые гидрогранаты состава 3Ca0*AL203(1,5-1,6)* Si02(2,8 - 3,0)*Н20, стабильные до 360 °С и обладающие хорошей прочностью.

Аналогично была показана возможность получения утяжеленных цементов и на основе свинцовых и никелевых шлаков. По данным РСА в составе продуктов твердения при температурах выше 130 °С обнаружены гидрогранаты кальция, железистые гидрогранаты и тоберморит. Наличие периклаза обеспечивает камню безусадочность за счет расширения при образовании Mg(0H)2.

Все бесклинкерные утяжеленные цементы при температурах выше 100 0 С имеют начало загустевания меньше 1ч.40 м . Замедлителями сроков схватывания в данном случае, как показали исследования, могут быть традиционные реагенты - НТФ и др.

С использованием целестиновой, хромитовой, никелевых руд Казахстана и портландцемента также были разработаны несколько видов утяжеленных цементов и исследованы их физико-химические и технологические свойства. Плотность тампонажного раствора из этих цементов легко регулируется в пределах 2000-2350 кг/м3 за счет изменения В/Ц и количества утяжеляющих добавок-руд. Температурный интервал применения утяжеленных цементов с добавкой руд 20...200 °С. Термостойкость камня рекомендуется нами повысить до 250... 300 °С за счет введения в состав цемента "хвостов" обогащения медно-молибденовых руд. Камень, полученный из утяжеленных цементов с добавкой указанных руд. практически газо-нефте-водо-непроницаемый, плотный, поры очень мелкие, в основном, замкнутые. Следует отметить, что целестиновые, хромитовые и никелевые

руды характеризуются большой химической инертностью и высокой водостойкостью. Все это предопределяет высокую коррозионную стойкость камня из указанных цементов.

Поскольку одним из важных факторов получения надежного изоляционного комплекса скважин является способность цементов к расширению в ранние сроки твердения, была исследована возможность использования некоторых промышленных отходов в качестве расширяющих добавок в составе разработанных утяжеленных цементов. В наибольшей степени, по плотности, водопотребности и кинетике расширения этим требованиям удовлетворял хроматный щлам -отход производства хромовых солей, имеющий плотность 3200...3300 кг/м3 и 1^0 в своем составе. Кривые кинетики расширения цементов с добавкой 20... 30% хроматного шлама имеют три характерных участка: 1-й - водоотделение раствора, 2-й , отражающий индукционный период в процессе расширения; 3-й - период расширения цементного камня. Увеличение температуры от 80 до 200 °С приводит к уменьшению индукционного периода от 10 до 2 часов. При температуре 200 °С расширение практически заканчивается и достигает своего максимума в течение 36 часов, а при температуре 80 °С - на третьи сутки. При применении хроматного шлама температура твердения оказывает большее влияние на интенсивность расширения, по сравнению с каустическим магнезитом. Данный факт объясняется образованием Мв(0Н)2,помимо образования гидрохромалюмина-тов кальция, гидратацией и других составляющих хроматного шлама.

Введение расширяющей добавки значительно увеличивает силу сцепления цементного камня с ограничивающими поверхностями. Например, после суточного твердения утяжеленного цемента с добавкой хромитовой руды сцепление камня с металлом составило 0,8 ... 1,2 МПа. При введении 20% каустического магнезита она возрастает в 2-3 раза, а с добавкой хроматного шлама в 10 - 11 раз по сравнению с контрольными образцами.

Прочностные характеристики расширяющихся утяжеленных цементов несколько ниже, чем у обычных утяжеленных цементов, хотя значительно выше требований ГОСТ. Это объясняется тем, что образцы из расширяющихся цементов, твердевших в автоклавных условиях, имеют большие внутренние напряжения, которые при вскрытии автоклава снижают прочность камня. Естественно, в скважинных условиях прочность камня будет еще выше, сохранится лучше.

Кроме того, ввод хроматного шлама в состав утяжеленных цементов значительно улучшает реологические свойства раствора за счет солей хрома.

Учитывая, что в Казахстане бурение и цементирование скважин производится в солевых средах, а также ингибирующее, положительное влияние солевого фильтрата цемента на сохранность коллекторов продуктивного пласта, было исследовано влияние солей на кинетику расширения утяжеленных цементов с добавкой хроматного шлама.Установлено, что наилучшие результаты получены при введении в состав цемента комплексных солей (СаС12 и ИаС1), получаемых выпариванием дистиллерной жидкости - жидкого отхода содового производства. При этом расширение возрастает на 0,7... 1,0%, прочность камня увеличивается на 30... 40%, снижается водоотделе-ние и улучшается седиментационная устойчивость раствора.

Таким образом, на основе проведенных исследований установлена возможность получения утяжеленных расширяющихся цементов из промышленных отходов и местного сырья Казахстана с регулируемой в широких пределах величиной расширения и отвечающих требованиям цементирования скважин в сложных горно-геологических условиях при наличии зон АВПД, высоких температур, рапопроявлений и текучих пород.

Управлять свойствами утяжеленных тампонажных цементов можно добавками реагентов-пластификаторов: С-3, полиглицерина. НТФ, НТФ+полиглицерина,В-2, действие которых на разработанные цементы

проверялось специальными экспериментами. Указанные реагенты приводят к увеличению растекаемости, снижению водоотделения и водоотдачи раствора и увеличению прочности камня, в частности, увеличение количества полиглицерина до 1,0% от массы утяжеленного цемента приводит к понижению начального водосодержания от 0,4 до 0.28 . При этом водоотдача составляет 65...40 см3/30 мин. Прочность камня достигает максимума при 0,4% полиглицерина, увеличение его концентрации до 1.0% уменьшает прочность камня до 2,3 МПа из-за замедления скорости гидратации в ранние сроки твердения, однако в более поздние сроки твердения прочность у образцов с добавкой полиглицерина выше, чем у контрольных.

В четвертой главе приведены результаты исследований по разработке дезинтеграторной технологии получения тампонажных утяжеленных цементов. Для этого было исследовано влияние дезинтеграторной обработки на технологические свойства разработанных утяжеленных цементов и показано, что каждый вид цемента в зависимости от вида утяжеляющей добавки имеет оптимальный режим дезинтеграторной обработки. Исследования, проведенные нами совместно с Измухамбетовым Б.С.. показали, что при получении многокомпонентных смесей важна тонина предварительного измельчения исходных компонентов перед последующим применением дезинтеграторной активации. Для приготовления утяжеленных цементов удельная поверхность портландцемента должна быть в пределах 1900...2050 см2/г, а утяжеляющие добавки должны пройти подготовку и измельчение до оптимальной тонины в зависимости от твердости добавок. Если утяжеляющие добавки имеют твердость по шкале Мооса равную 1,5. ..3,5, необходимая тонина предварительного измельчения утяжелителя равна 1700... 1900 см2/г, а при твердости 5,5. ..7,5 она равна 2400...2500 см2/г. При такой тонине утяжелителей после совместной их обработки в дезинтеграторе с портландцементом с тониной 1900... 2050 см2/г технологические параметры утяжеленных цементов получаются оптимальными при наименьших энергозатратах.

Также установлено, что после дезинтеграторной обработки тампонажных композиций на шлаковой или портландцементной основе с добавкой отходов и руд горно-рудной промышленности полученные тампонажные цементы приобретают специфические свойства. Для составов с "мягкими" утяжелителями (твердостью 1,5...3,5) при обработке их в режиме 4000...6000 об/мин или при скорости соударения частиц 55...80 м/с, водопотребность уменьшается на 20...30%, что связано с уменьшением дефектности поверхности измельчаемых частиц. Повышение частоты вращения ведет к увеличению водопотреб-ности исследуемых составов и объясняется превалирующим действием увеличения дисперсности частиц и суммарной площади их поверхности, трещинообразованием. Для составов с "твердыми" утяжелителями твердостью 5,5...7,5 (хромитовая и никелевая руда) водопотребность уменьшается при режимах обработки 7000...7500 об/мин ( при скорости соударения частиц 90...100 м/с). Она растет при повышении частоты вращения. Смеси, содержащие "мягкие" утяжелители , имеют оптимальную водопотребность при обработке с частотой 3000 ...4000 об/мин или при скорости соударения частиц 50... 60 м/с. При постоянном водосмесевом отношении оптимальный режим обработки исследованных составов в дезинтеграторе обеспечивает и максимум растекаемости. За пределами оптимального режима обработки растекаемость уменьшается, причем резкое уменьшение наблюдается при увеличении частоты вращения дезинтегратора. Необходимо отметить, что при оптимальном режиме дезинтеграторной активации во-доотделение несколько увеличивается (до 2%), но остается значительно ниже требований стандартов и ТУ. С увеличением частоты вращения водоотделение умешьшается и становится равным 0 при 9000 об/МИН (120 м/с).

Независимо от крупности исходного материала при всех режимах активации прочность камня, полученного из утяжеленных цемен-

тов дезинтеграторного приготовления и твердевшего в нормальных условиях, имеет тенденцию к увеличению. Максимальное приращение прочности имеют смеси из утяжеленных цементов, имеющих исходную тонину для портландцемента 1900. ..2100 см2/г, а для утяжелителя - 1700 ... 1900см2/г и 2400... 2500 см2/г в зависимости от их твердости. Прирост прочности составляет 30... 45% по сравнению с прочностью камня из составов, полученных в дезинтеграторе, но с другой исходной удельной поверхностью. По нашему мнению, увеличение прочности можно объяснить тем, что при обработке в дезинтеграторе наряду с повышением дисперсности, увеличением поверхности частиц, развитием трещиноватости образуется больше пластически деформированных фаз с дефектной структурой, имеющей повышенную активность в отношении процессов кристаллизации по сравнению с другими способами помола.

При введении пластификаторов и других видов реагентов через жидкость затворения представляют определенные трудности доставка реагентов до места потребления, их хранение и применение из-за разливов, загрязнения почвы и воды вблизи буровых. Кроме того, к моменту использования сухие утяжеленные цементы теряют свою активность за счет карбонизации поверхности частиц. При этом ослабляется в определенной степени действие реагентов. Исследования показали, что более эффективным приемом является совместная обработка в дезинтеграторе утяжеленных цементов и реагентов.

Для исследований были взяты утяжеленные цементы с добавкой хромитовой и никелевой руд и пластификаторы В-2 и полиглицерин, которые работают как пластификаторы, понизители водоотдачи и замедлители сроков схватывания при умеренных температурах. Показано, что пластифицированные утяжеленные цементы, полученные путем совместной обработки в дезинтеграторе цемента и пластификатора, обладают лучшими технологическими свойствами, при этом прочность камня из таких цементов в 1,8...2 раза выше, чем у контрольных.

Они также имеют высокую коррозионную стойкость благодаря плотной структуре камня. Применение данного способа введения пластификатора в состав цемента позволяет уменьшить количество вяжущего в смеси при сохранении требуемой прочности камня, особенно в поздние сроки твердения.

В пятой главе приведено описание промышленных дезинтегра-торных установок и промышленное внедрение разработок.

В результате проведенных исследований разработаны технологические режимы приготовления и активации утяжеленных тампонаж-ных цементов.

В цехе сухих тампонажных смесей (г.Актюбинск) спроектирована и смонтирована линия предварительной подготовки утяжелителей. Разработаны и смонтированы микродозаторы, позволяющие вводить пластификаторы в сухие утяжеленные цементы непосредственно в процессе их обработки в дезинтеграторе.

По разработанным технологическим режимам в цехе сухих тампонажных смесей по дезинтеграторной технологии изготовлены утяжеленные цементы в количестве 12680 т, из них 5370 т с расширяющими свойствами, 1665 т - утяжеленные бесклинкерные, а 5645 т -утяжеленные цементы с добавкой хромитовой, никелевой и целести-новой руд. Получен экономический эффект 4875371 тенге, сэкономлено более 5000 т тампонажного портландцемента.

Применение в промышленном масштабе утяжеленных тампонажных цементов, изготовленных по дезинтеграторной технологии из промышленных отходов и портландцемента, позволило решить ряд трудных проблем крепления скважин и разобщения продуктивных горизонтов в сложных геологических условиях Казахстана. Повышена надежность изоляционного комплекса скважин, уменьшены случаи заколон-ных газопроявлений и межпластовых перетоков на 30%. Интервал хорошего сцепления цементного камня с колонной по данным АКЦ составил более 65%, против 40% обычно применяемых цементов.

- 21 -

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Установлено, что шлаки производства ферротитана, никеля и свинца могут быть использованы как вяжущие для получения утяжеленных цементов с добавкой отходов горно-рудной промышленности Казахстана.

2. Показана возможность получения тяжелых цементов за счет утяжеления жидкости затворения путем введения солей тяжелых металлов и применения в составе цементов тяжелых руд с плотностью более 7000 кг/м3.

3. Разработаны составы, технологии получения утяжеленных тампонажных цементов на основе местных материалов и отходов горно-рудной и химический промышленности, черной и цветной металлургии Республики Казахстан.

4. Обоснована и разработана энергосберегающая технология двухступенчатого помола утяжеленного цемента, включая предварительный помол клинкера до удельной поверхности 1900...2050 см2/г и утяжеляющей добавки до удельной поверхности от 1600 до 2100 см2/г в зависимости от ее твердости, с последующей совместной обработкой в дезинтеграторе грубодисперсного вяжущего и утяжеляющей добавки при рациональном режиме, обеспечивающем минимальную водопотребность утяжеленного цемента.

5. Разработаны составы пластифицированных утяжеленных тампонажных цементов на основе местных материалов и промышленных отходов с регулируемыми технологическими свойствами в широких пределах и обеспечивающих качественное крепление скважин в условиях аномальных пластовых давлений (коэффициент аномальности 1,9 ...2,6) и температур до 300 °С и агрессивных сред, в т.ч. и сероводорода.

6. Усовершенствована дезинтеграторная технология получения

утяжеленных цементов на основе промышленных отходов и местных материалов Казахстана, позволяющая сэкономить до 60% портландцемента для температурных условий до 100 °С и исключающая портландцемент полностью для температурных условий 100... 300 °С.

7. Разработаны, изготовлены и внедряются в производство более современные конструкции дезинтеграторных установок и технологические линии для получения утяжеленных цементов с приданием им специальных свойств за счет механохимической активации.

8. Разработки и рекомендации прошли промышленную апробацию и внедряются при бурении глубоких скважин в условиях аномальных пластовых давлений и температур на новых и разрабатываемых нефтегазовых месторождениях Казахстана.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Г. Л. Семенычев, П.С.Шмелев, Б.Н.Москаленко и др.Методические рекомендации по контролю и связыванию сероводорода при проводке глубоких скважин в Прикаспийской впадине./ Саратов, НВНИКГГ, 1990, 83 с.

2. Москаленко Б.Н., Шмелев П.С., Бородин В.А.и др. Методические рекомендации по предотвращению открытых фонтанов и защите окружающей среды при строительстве скважин предприятиями ГТУ "Прикаспийгеология" /Саратов, НВНИИГГ, 1989.

3. Семенычев Г.А., Шмелев П.С., Москаленко Б.Н. Предупреждение и ликвидация осложнений , связанных с газопроявлениями в Прикаспийской впадине/Газовая промышленность, N 5,1990.

4. Иванов В.В., Каримов Н.Х., Москаленко Б.Н.и др.Расширяющийся тампонажный состав/Патент РФ, N 1789014, БИ N2, 1993

5. Москаленко В.Н., Умралиев Б.Т., Васильев В.В. Разработка шлакощелочных тампонажных композиций для крепления/ Материалы научно-тематической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Уфа. УГНТУ, 1995г. с. 36.

6. Москаленко Б.Н., Умралиев Б.Т., Газизов X.В., Агзамов Ф.А. Дезинтеграторная обработка тампонажных смесей с карбонатными добавками /Материалы научно-тематической конференции студентов. аспирантов и молодых ученых. Уфа, УГНТУ, 1995, с.34.

7. Москаленко Б.Н., Ткачев В.И.. Запорожец Л.С.. Танкибаев М.А. Утяжеленные термостойкие тампонажные растворы плотностью до 2300 кг/м3 /Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции "Проблемы нефтегазового комплекса России". Уфа. 1995, с. 34.

8. Москаленко Б.Н., Ткачев В.И. Опыт получения и применения утяжеленных цементов в Западном Казахстане /Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции "Проблемы нефтегазового комплекса России".Уфа,1995,с.38.

9. Акылбеков С,А.,Битимбаев М.Ж.,Даукеев С.Ж, Москаленко Б.Н.и др. Свойства, потребление и производство основных видов минерального сырья./Мингео Республики Казахстан, Алматы, 1995, 186 с. с ил.

10. Каримов И.Н..Агзамов Ф.А.,Москаленко Б.Н.,Измухамбетов Б.С. Использование местных материалов и промышленных отходов для получения тампонажных материалов /Тезисы международной конференции "Проблемы подготовки кадров для строительства и восстановления нефтяных и газовых скважин на месторождениях Западной Сибири". Тюмень,1996,с.124-125.

И. Агзамов Ф.А.,Москаленко Б.Н..Газизов X.В. .Каримов И.Н. Порошкообразные материалы из промышленных отходов и местного сырья для строительства скважин/Тезисы международной научно-технической конференции "Современные проблемы строительного материаловедения", ч. 5, Казань, 1996, с. 67-68.

12. К вопросу прогнозирования поведения горных пород при взаимодействии с буровыми растворами /Байзаков М.К..Москаленко Б.Н.,Алимжанов М.Т. и др.//Механика и моделирование процессов

:ехнологии. N1, Алматы, изд-во HAH, 1996, с. 67-69.

13. Москаленко Б.Н.. Смагулов Б.А., Тасимов К.А. Анализ :тепени разупрочнения породы приствольной зоны буровым раство-юм/ Тезисы 1-го Республиканского съезда по теоретической и фикладной механике,Алматы,1996,с.223.

Соискатель Москаленко Б.Н.

Фонд содействия развитию научных исследований

Лицензия ЛР №030678 от 22.01.96 Подписано к печати 16.12.96. Тираж 100 экз.Зак.5 .г.Уфа, ул.Заводская 8-22